DE2556453A1

DE2556453A1 - Waermetauscher und verfahren zum kuehlen heisser gase

Info

Publication number: DE2556453A1
Application number: DE19752556453
Authority: DE
Inventors: Pieter Jacobus Schuurman
Original assignee: SHELL INT RESEARCH; Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: SHELL INT RESEARCH; Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1975-01-17
Filing date: 1975-12-15
Publication date: 1976-07-22
Also published as: DK568175A; ES443500A1; NO754262L; US4029054A; SE7514156L; JPS5187851A; BE836709A; FR2298074B1; IN141219B; GB1528215A; CA1053223A; ZA757806B; NL7500554A; BR7508332A; NO139980B; CS185585B2; IT1050778B; DD123015A5; AU8754375A; FI753532A7

Description

Priorität: 17. Januar 1975, Nr. 7 5oo 554, Niederlande

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Kühlen heißer Gase. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Kühlen heißer Gase unter Verwendung dieses Wärmetauschers, insbesondere zum Kühlen solcher heißen Gase, die bei der teilweisen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen erhalten werden.

Die Verwendung von Wärmetauschern zum Kühlen heißer Gase muß aus wirtschaftlichen Gründen sehr oft bei einer großen Durckdifferenz zwischen den zu kühlenden heißen Gasen und dem Kühlmittel ausgeführt werden. Dies tritt beispielsweise bei einem Verfahren ein, bei welchem ein Wärmetauscher, in welchem Wasser als Kühlmittel verwendet wird, aus Gründen des Wirkungsgrades Dampf erzeugt, der einen viel höheren

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Druck als die zu kühlenden Gase hat. Im Hinblick auf die großen Unterschiede der Temperatur- und Druckzustände bei welchem ein Wärmetauscher dieser Art arbeitet, sind die mechanischen Spannungen und Beanspruchungen, denen der Wärmetauscher ausgesetzt ist, sehr hoch. Aus diesem Grund ergeben sich bei der Auslegung eines Wärmetauschers, der für ein Arbeiten unter diesen Bedingungen geeignet ist, große technische Schwierigkeiten. Demzufolge ist es ein Ziel der Erfindung, eine Auslegung für einen Wärmetauscher zu schaffen, mit welcher diese Schwierigkeiten vermieden werden können.

Ein besonderes technisches Problem ist die Auslegung der Trennplatte zwischen dem GasZuführungsraum und dem kühlenden Raum des Wärmetauschers, da gerade dieser Teil Zuständen höchster Beanspruchung unterworfen ist. Im Falle eines Wärmetauschers mit einem kleinen Durchmesser kann man durch Wahl einer geeigneten Stärke des Metalls der Trennplatte eine Platte erhalten, die fest genug ist, um den Betrieb bei großen Temperatur- und Druckdifferenzen zu ermöglichen, da die gesamte, auf diese Platte wirkende Kraft relativ klein ist. Im Falle von Wärmetauschern mit großem Durchmesser, bei welchem die auf die Trennplatte wirkende Gesamtkraft als Ergebnis des großen Druckunterschiedes sehr groß wird, ist es jedoch nicht ausreichend, eine Trennplatte aus sehr dickem Metall zu konstruieren, da eine größere Metallstärke eine höhere mittlere Temperatur des Metalls einschließt, so daß die Festigkeit des Metalls verringert wird. Außerdem wird die Temperaturdifferenz über der Trennplatte sehr groß, so daß thermische Spannungen auftreten, was dazu führt, daß die Platte häufig zum Kollabieren neigt. Aus diesem Grund ist es auch das Ziel der Erfindung, einen Wärmetauscher mit einem großen Durchmesser zu schaffen, dessen Trennplatte derart ausgelegt ist, daß ein sicherer Betrieb unter Zuständen sehr hoher Temperatur und Druckdifferenzen gewährleistet ist.

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Die Erfindung bezieht sich deshalb auf einen Wärmetauscher zum Kühlen heißer Gase mit einem GasZuführungsraum (1), der mit einer oder mehreren Gaszuführungsleitungen (7) versehen ist, mit einem kühlenden Raum (2), der mit einer oder mehreren Gasabführungsleitungen (8) versehen ist, mit einer oder mehreren Kühlmittelzuführungsleitungen (9) und einer oder mehreren Kühlmittelabführungsleitungen (1o) sowie einer Trennplatte (11), die den Gaszuführungsraum (1) von dem kühlenden Raum (2) trennt und durch welche ein oder mehrere Gas führende Rohre (12) hindurchgehen, deren Einlaßenden (14) sich in dem Gaszuführungsraum (1) befinden und die über Kühlrohre (13) in dem kühlenden Raum (2) mit den Gasabführungsleitungen (8) des kühlenden Raums verbunden sind. Jedes der Gas führenden Rohre (12) in dem Gaszuführungsraum (1) ist von einem Kühlmantal (15) umgeben, der mit der Trennplatte (11) derart verbunden ist, daß die Räume (16) zwischen den Gas führenden Räumen (12) und den Kühlmänteln (15) mit dem kühlenden Raum (2) in Verbindung stehen. In dem GasZuführungsraum (1) sind die Enden (14) der Gas führenden Rohre (12) mit den Enden der Kühlmäntel (15) verbunden. Mit Enden von KühlmitteIzuführungsleitungen (17) sind axiale rohrförmige leitende Körper (2o) verbunden, die die unteren Abschnitte der ringförmigen Räume (16) in zwei Teile unterteilen, die in offener Verbindung miteinander in der Nähe der Verbindungen der Einlaßenden (14) der Gas führenden Rohre (12)- mit den Kühlmänteln (15) stehen. Die Leit- bzw. leitenden Körper (2o) haben axiale ringförmige Kammern (21). um den Innenumfang der leitenden Körper (2o) sind in regelmäßiger Weise Abströmöffnungen (22) aus den Kammern (21) angeordnet.

Der kühlende Raum ist vorzugsweise vertikal über dem Gaszuführungsraum angeordnet. Sowohl der kühlende Raum als auch der Gaszuführungsraum können irgendeine gewünschte Form haben. Eine geeignete Form für diese Räume ist

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beispielsweise eine Kugelgestalt. Der kühlende Raum und der Gas zuf ührungsraum sind jedoch vorzugsv/eise zylindrisch, da auf diese Weise der zur Verfügung stehende Raum optimal genutzt wird.

Die Trennplatte zwisehen dem GasZuführungsraum und dem kühlenden Raum, durch welche die Gas führenden Rohre hindurchgehen, kann irgendeine Form haben. Sie kann beispielsweise eben sein. Um jedoch die Festigkeit der Platte soweit wie möglich zu erhöhen und demzufolge die Druckdifferenz zwischen dem kühlenden Raum und dem GasZuführungsraum, bei welcher der Wärmetauscher betrieben werden kann, zu steigern, hat die Trennplatte vorzugsweise eine im wesentlichen halbkugelige Form, wobei ihre konvexe Seite zum GasZuführungsraum hinweist. Die Gas führenden Rohre, welche durch die Trennplatte hindurch von dem Gaszuführungsraum in den kühlenden Raum münden, sind mit den Gasabführungsleitungen des kühlenden Raums mittels Kühlrohre verbunden. Diese Kühlrohre sind vorzugsv/eise schraubenförmig gewickelt und erstrecken sich in Richtung der Gas führenden Rohre.

In dem kühlenden Raum ist vorzugsv/eise ein konzentrisches Innenrohr angeordnet, welches einen Ringraum mit der Außenwand des kühlenden Raums bildet. In diesem Fall sind die für das Kühlen vorgesehenen Rohre um das konzentrische Innenrohr in dem Ringraum derart gelegt, daß sie über diesem Raum gleichmäßig verteilt sind. Diese gleichmäßige Verteilung begünstigt die Wärmeübertragung zwischen dem heißen Gas in den Rohren und dem Kühlmittel um die Rohre. Mit dem kühlenden Raum sind ein oder mehrere Kühlmittelzuführungsleitungen verbunden. Diese Verbindung, kann an jeder Stelle des kühlenden Raums vorgesehen werden. Eine geeignete Stelle ist die Unterseite des kühlenden Raums in der Nähe der Trennplatte zwischen dem kühlenden Raum und dem GasZuführungsraum, so daß diese Platte mit relativ kaltem Kühlmittel gekühlt wird. Die

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Kühlmittelzuftihrungsleitung ist jedoch vorzugsweise an den oberen Teil des konzentrischen Innenrohres angeschlossen oder mündet in dem unteren Teil des konzentrischen Innenrohres aus. In diesem Fall wird das Kühlmittel zwangsweise nach unten in dem Innenrohr und nach oben in dem Ringraum um das Innenrohr herum geführt, während zusätzlich relativ kaltes Kühlmittel längs der Trennplatte strömt. Durch diese Zwangszirkulation erhält man eine sehr gute Wärmeübertragung zwischen der heißen Trennplatte und dem Kühlmittel und zwischen den schraubenförmig gewickelten Kühlrohren und dem Kühlmittel.

Wie bereits vorstehend erwähnt wurde, kann der Wärmetauscher ein oder mehrere Gas führende Rohre und Kühlrohre bzw. kühlende Rohre und Gasabführungsleitungen aufweisen, die damit verbunden sind. Im allgemeinen überschreitet die gewählte Anzahl der Gas führenden Rohre die Zahl Hundert nicht, da eine Größere Zahl die Konstruktion sehr kompliziert macht. Vorzugsweise werden zwei bis fünfzig Gas führende Rohre, Kühlrohre und Gasabführungsleitungen verwendet.

Der Innendurchmesser des kühlenden Raums kann innerhalb weiter Grenzen gewählt werden, die von dem gewünschten Ausmaß der Kühlung und von dem gewünschten Volumen bzw. der gewünschten Kapazität der Vorrichtung abhängen. Das gleiche gilt für die Innenlänge des kühlenden Raums.

Aus praktischen Erwägungen wird der Innendurchmesser vorteilhafterweise in einem Bereich von o,5 bis 1o m und die Innenlänge in einem Bereich von 3 bis 3o m gewählt. Bevorzugt wird jedoch, daß der Durchmesser und die Länge des kühlenden Raums innerhalb 1 bis 5 m bzw. 5 bis 2o m liegen.

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Der Außenumfang des GasZuführungsraums ist vorteilhafterweise gleich dem des kühlenden Raums, so daß die Wände der beiden Räume zueinander fluchten. Infolge der sehr hohen Temperatur, mit welcher die Gase in den GasZuführungsraum geführt werden können, ist dieser Raum vorzugsweise auf der Innenseite mit einer Schicht aus feuerfestem Material ausgekleidet. Die Stärke dieses Materials wird vorzugsweise in einem Bereich von 1oo bis 5oo mm und vorzugsweise in dem Bereich von 2oo bis 4oo mm gewählt. Das Material wird vorteilhafterweise so ausgesucht, daß es eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von o,5 bis 1o W/m C hat.

Die Einlaßenden der Gas führenden Rohre sind in dem Gaszuführungsraum angeordnet. Der Grund dafür besteht darin, daß man verhindern möchte, daß die Trennplatte zwischen dem Gaszufuhr ungs raum und dem kühlenden Raum in direktem Kontakt mit den heißen Gasen kommt. Die Trennplatte würde sonst zu heiß werden und demzufolge zu schwach sein, um die hohe Druckdifferenz zwischen dem kühlenden Raum und dem Gaszuführungsraum auszuhalten. Bei der vorliegenden Anordnung werden jedoch die heißen Gase durch die Einlaßenden der Gas führenden Rohre abgeführt, ohne in Kontakt mit der Trennplatte zu kommen. Um einen geeigneten Abstand zwischen den Einlaßenden der Gas führenden Rohre und der Trennplatte beizubehalten, haben die Abschnitte der Gas führenden Rohre, die in dem Gaszuführüngsraum vorhanden sind, zweckmäßigerweise eine Länge im Bereich von o,2 bis 4 m und vorzugsweise im Bereich von o,4 bis 2,5 m.

In dem Gas Zuführungsraum sind die Gas führenden Rohre jeweils von einem Kühlmantel derart umgeben, daß die Ringräume zwischen den Gas führenden Rohren und den Kühlmänteln mit dem kühlenden Raum verbunden sind, während die Einlaßenden der Gas führenden Rohre mit den Enden der Kühlmantel verbunden sind. Auf diese Weise kann jedes einzelne Gas führende Rohr

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leicht mit Kühlmittel gekühlt werden. Da die Kühlmittelzuführung sleitungen in der Nähe der Einlaßenden der Gas
führenden Rohre mit den axialen ringförmigen Kammern in
den rohrförmigen leitenden Körpern verbunden sind und das frische Kühlmittel durch die Ausströmöffnungen zwischen
den leitenden Körpern und den Gas führenden Rohren nach
unten längs der Außenseite der Einlaßenden der Gas führenden Rohre geführt wird, werden diese Einlaßenden am besten gekühlt. Dies ist erforderlich, da das zuströmende Gas an dieser Stelle die höchste Temperattir hat. Ein zu geringes Kühlen würde dazu führen, daß die Einlaßenden der Gas führenden Rohre eine sehr hohe Temperatur erreichen, die sie nicht aushalten könnten. Die Ausströmöffnungen sind in regelmäßiger Weise um den Innenumfang der leitenden Körper herum so angeordnet, daß das Kühlmittel gleichförmig um den Umfang der Gas führenden Rohre verteilt wird. Dadurch wird ein gutes Kühlen der Gas führenden Rohre begünstigt. Vorzugsweise sind die Kühlmittelzuführungsleitungen tangential an die ringförmigen leitenden Körper angeschlossen, so daß das Kühlmittel in den axialen ringförmigen Kammern der leitenden
Körper zur zwangsweisen Ausführung einer Drehbewegung gebracht wird, was sich sehr günstig auf die Regelmäßigkeit der Verteilung des Kühlmittels auf die axialen ringförmigen Kammern auswirkt.

Es können drei Abschnitte bei den Kühlmänteln der Gas führenden Rohre in dem Gaseinlaßraum unterschieden werden:
Erstens ein Abschnitt in der Nähe des Einlaßendes des Gas führenden Rohre, zweitens ein Abschnitt, der mit der Trennplatte verbunden ist und drittens ein Mittelabschnitt, der zwischen den beiden anderen Abschnitten liegt. Die Kühlmantel sind so ausgelegt, daß die Abschnitte, welche sich in der Nähe der Einlaßenden der Gas führenden Rohre befinden, einen Innendurchmesser haben, der größer ist als der Innendurchmesser der Mittelabschnitte, während die Abschnitte, welche

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durch die Trennplatte hindurchgehen, einen Innendurchmesser haben, der kleiner ist als der Innendurchmesser der Mittelabschnitte.

Da die Abschnitte der Kühlmäntel, die sich in der Nähe der Einlaßenden der Gas führenden Rohre befinden, vorzugsweise einen Innendurchmesser haben, der größer ist als der der anderen Abschnitte der Kühlmantel, können axiale rohrförmige leitende Körper auf einfache Weise in jedem der ringförmigen Räume zwischen diesen Abschnitten der Kühlmäntel und der Gas führenden Rohre angeordnet werden. Die leitenden Körper sind mit den Enden der Kühlmittelzuführungsleitungen verbunden und unterteilen die unteren Teile der ringförmigen Räume in zwei Abschnitte, die in offener Verbindung miteinander in der Nähe der Verbindungsstellen zwischen den Einlaßenden der Gas führenden Rohre und den Kühlmänteln stehen. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß das durch die an die leitenden Körper angeschlossenen Zuführungsleitungen in die ringförmigen Kammern der leitenden Körper zugeführte Kühlmittel zwangsweise durch die Ausströmöffnungen der Kammern direkt längs der Einlaßenden der Gas führenden Rohre strömen gelassen wird. Auf diese Weise werden die Einlaßenden optimal gekühlt. Dies ist wesentlich, da die Einlaßenden in Kontakt mit den heißen Gasen kommen, die vorher keinerlei Kühlung ausgesetzt waren.

Die leitenden Körper sind vorzugsweise so ausgelegt, daß zwischen ihrer Oberseite und der Außenseite der Gas führenden Rohre schmale ringförmige axiale Schlitze angeordnet sind. Auf diese Weise kann ein kleiner Anteil des Kühlmittels dazu gebracht werden, im Zwangsstrom direkt nach oben zwischen die verbindenden Körper und die Gas führenden Rohre zu strömen, wodurch eine lokale überhitzung der Gas führenden Rohre in der Nähe der Oberseite der leitenden

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Körper vermieden wird. Ein solches überhitzen der Gas führenden Rohre kann sehr wohl eintreten, wenn die Oberseite der leitenden Körper mit den Gas führenden Rohren ohne einen Durchlaß für Kühlmittel verbunden wäre. Wenn andererseits die Durchlässe zwischen der Oberseite der leitenden Körper und den Gas führenden Rohren zu breit sind, könnte dadurch zuviel Kühlmittel nach oben wegströmen, was dazu führen würde, daß die unteren Gas führenden Rohre unzureichend gekühlt wurden. Die schmalen ringförmigen Schlitze zwischen der Oberseite der leitenden Körper und den Gasrohren haben vorzugsweise eine Stärke im Bereich von o,1ο mm bis 5 mm.

Der Unterschied zwischen dem Innendurchmesser des Abschnitte tes eines Kühlmantels, der sich in der Nähe eines Einlaßendes eines Gas führenden Rohres befindet, und dem Außendurchmesser eines Gas führenden Rohres wird vorzugsweise in dem Bereich von 8 bis 80 mm gewählt. Wenn die Stärke des ringförmigen Raums zwischen dem Kühlmantel und dem Gas führenden Rohr kleiner als 8 mm ist, ist es schwierig, darin einen axialen rohrförmigen leitenden Körper an der Kühlmittelzuführungsleitung zu befestigen. Wenn die Stärke dieses Raums größer als 80 mm ist, werden die Außendurchmesser der Kühlmäntel so groß, daß nur eine kleine Anzahl von Gas führenden Rohren in dem Gaszuführungsraum angeordnet werden kann.

Die axialen ringförmigen Schlitze, die auf jeder Seite der leitenden Körper zwischen diesen und den Gas führenden Rohren bzw. den Kühlmänteln angeordnet sind, haben eine Stärke im Bereich von 1 bis 15 mm.

Die Höhe der axialen rohrförmigen Trennwände liegt vorzugsweise in einem Bereich von 80 bis 145o mm, während die Abschnitte der Kühlmantel, welche sich in der Nähe der

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Einlaßenden der Gas führenden Rohre befinden und die einen Innendurchmesser haben, der größer ist als der der übrigen Abschnitte der Kühlmäntel, vorzugsweise eine Länge in einem Bereich von 82 bis 15oo mm haben.

Demzufolge bleibt zwischen dem unteren Teil der axialen rohrförmigen leitenden Körper und den Verbindungen der Kühlmantel mit den Einlaßenden der Gas führenden Rohre ein Durchlaß, der vorzugsweise eine Höhe in einem Bereich von 1 bis 15 mm hat.

Wie vorstehend erläutert wurde, haben die Abschnitte der Kühlmantel, die mit der Trennplatte verbunden sind, vorzugsweise einen Innendurchmesser, der Itleiner ist als der der Mittelabschnitte der Kühlmantel. Der Grund dafür besteht darin, daß riadurch ein Widerstand für das Kühlmittel geschaffen wird, welches längs der Gas führenden Rohre durch die Trennplatte in den kühlenden Raum strömt. Auf diese Weise wird eine gleichförmige Verteilung des Kühlmittels über alle Kühlmantel erreicht. Aus praktischen Erwägungen wird die Differenz zwischen dem Innendurchmesser des Abschnittes eines Kühlmantels, der durch die Trennplatte geht, und dem Außendurchmesser eines Gas führenden Rohres vorzugsweise so gewählt, daß sie zwischen 2 und 2o mm liegt.

Um einen guten Widerstand für das Kühlmittel zu erzeugen, welches zu dem kühlenden Raum strömt, sollten die schmalen ringförmigen Räume zwischen den oberen Teilen der Kühlmantel und den Gas führenden Rohren eine bestimmte Länge haben. Diese Länge liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1oo bis 4oo min.

Das Kühlmittel strömt von den relativ breiten Einlaßenden durch die Mittelabschnitte der ringförmigen Räume zwischen den Gas führenden Rohren und den Kühlmänteln zu den relativ

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schmalen Auslaßenden der ringförmigen Räume. Diese Mittelabschnitte der ringförmigen Räume haben vorzugsweise eine Stärke in einem Bereich von 2 bis 4o mm.

Die Temperatur des Kühlmittels, welches durch die ringförmigen Räume zwischen den Gas führenden Rohren und den Kühlmänteln strömt, wird vorzugsweise niedrig genug gewählt, um die Dampfbildung in diesen Räumen zu vermeiden, da die Dampfbildung zu einer Störung des Kühlmittelstroms führen würde, wodurch die Kühlwirloing unzureichend würde.

Wie vorstehend ausgeführt wurde, empfiehlt es sich, die Trennplatte zwischen dem kühlenden Raum und dem Gaszuführungsraum so kühl wie möglich zu halten. Zusätzlich zu den vorstehend genannten Maßnahmen können weitere Schritte vorgenommen werden. So ist es besonders günstig, wenn der untere Teil der Trennplatte mit einem feuerfesten Material isoliert ist. Für diesen Zweck eignen sich hervorragend eine Asbestfaser- oder Mineralwolleabdeckung oder eine Schicht eines keramischen Materials. Besonders günstig für diesen Zweck ist eine Kombination aus einer hitzeresistenten Abdeckung und einer feuerfesten Schicht, wobei die Abdeckung an der Trennplatte angeordnet wird und von der keramischen Schicht abgestützt wird. Die Stärke der Schicht aus Isoliermaterial ist vorzugsweise nicht größer als die Länge der Gas führenden Rohre, die in 'dem GasZuführungsraum angeordnet sind. Diese Stärke liegt deshalb vorzugsweise in einem Pereich von*o,2 bis 4 ram und insbesondere in einem Bereich von o,4 bis 2,5 mm. Das feuerfeste Material hat vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von o,5 bis 1o W/m C.

Ein speziell bevorzugtes Verfahren zum Isolieren der Trennplatte der heißen Gase in dem GasZuführungsraum gegenüber den heißen Gasen in dem Gaseinlaßraum besteht darin, daß

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ein Kühler vorgesehen wird, der den Kühlmantel der Gas führenden Rohre umgibt und mit dem ein oder mehrere Kühlmittelzuführungsleitungen und ein oder mehrere Kühlmittelabführungsleitungen verbunden sind. Dieser Kühler ist vorzugsweise kastenförmig und wird von zwei ebenen Platten gebildet, die in Ebenen senkrecht zu der Mittelachse des Gaszuführungsraums angeordnet sind. Diese Platten sind durch eine zylindrische Wand verbunden, die konzentrisch bezüglich der Mittelachse des GasZuführungsraums angeordnet ist. Die beiden ebenen Platten sind auch durch Rohre miteinander verbunden, welche die Kühlmantel der Gas führenden Rohre umgeben. Die zylindrische Wand des Kühlers hat vorzugsweise einen Durchmesser, der wenigstens gleich dem Durchmesser eines Kreises ist, den die verbundenen Kühlmantel der Gas führenden Rohre an dem Kühler bilden und der einen Durchmesser hat, der höchstens gleich dem Durchmesser des Gaseinlaßraums ist. Der Abstand zwischen den beiden ebenen Platten des Kühlers, mit anderen Worten die innere Höhe des Kühlers, liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1o bis 1oo mm.

Wie vorstehend erläutert wurde, enthält der Kühler Rohre, welche die Kühlmantel der Gas führenden Rohre umgeben. Zwischen diesen Rohren und den Kühlmänteln muß ein bestimmter freier Raum vorhanden sein, um die Schrumpf- und Ausdehnungswirkungen zu absorbieren, wenn der Wärmetauscher außer Betrieb gesetzt oder in Betrieb genommen wird. Dieser freie Raum bzw. dieses Spiel kann jedoch nicht zu groß sein, da sonst die Gefahr besteht, daß zuviel heißes Gas durch diesen Raum zur Trennplatte entweichen würde. Es hat sich gezeigt, daß das beste Ergebnis dann erzielt wird, wenn die Differenz zwischen dem Innendurchmesser der Rohre, welche die Kühlmäntel der Gas führenden Rohre umgeben, und dem Außendurchmesser der Kühlmantel an der Stelle, an der sie von den Rohren umgeben sind, in einem Bereich von o,5 bis 3 mm liegt.

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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Kühlen heißer Gase mittels Wasser. Bei diesem Verfahren wird das Wasser wenigstens teilweise in Dampf umgewandelt. Heiße Gase aus einer teilweisen Verbrennung vonKKohlenstoff enthaltenden Brennstoffen, wobei die Gase meistens etwas Ruß enthalten, können mit Hilfe dieses Verfahrens hervorragend gekühlt werden. Derartige Gase haben normalerweise eine Temperatur in einem Bereich von 9oo bis 15oo ⁰C und einen Druck in einem Bereich von 1 bis 1°° bar absolut. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise gesättigter Dampf erzeugt, der einen Druck zwischen 5o und 226 bar absolut hat. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise Kesselbeschickungswasser den Kühlmänteln der Gas führenden Rohre so zugeführt, daß die Gaseinlaßenden der Gas führenden Rohre die maximale Kühlung erhalten. Diese Art von Wasser hat zweckmäßigerweise eine Temperatur im Bereich von ο bis 35o°C. Vorzugsweise wird wieder umgewälztes Wasser der Kühlmittelzuführungsleitung bzw. den Kühlmittelzuführungsleitungen des kühlenden Raums zugeführt. Dieses Wasser wird aus einem Separator abgeleitet, in welchem Dampf und Wasser getrennt werden. Das Wasser hat eine Temperatur in einem Bereich von 2qo bis 374 C. Um den Wärmetauscher äußerst nutzbringend einzusetzen, mochte man ein geeignetes Verhältnis zwischen den Mengen des ümwälzwassers und des Kesselbeschickungswassers haben. Diese Mengen werden pro Stunde der Kühlmittelzuführungsleitung bzw. den Kühlmittelzuführungsleitungen des kühlenden Raums bzw. den Kühlmänteln der Gas führenden Rohre zugeführt. Dieses Verhältnis liegt vorzugsweise in einem Bereich von 5 bis 1o.

Wie vorstehend erläutert wurde, ist die Trennplatte zwischen dem GasZuführungsraum und dem kühlenden Raum vorzugsweise gegenüber den heißen Gasen mittels eines Kühlers abgeschirmt. Diesem Kühler wird deshalb vorzugsweise relativ

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kaltes Kesselbeschickungswasser zugeführt. Dieses Wasser hat eine Temperatur in einem Bereich von ο bis 1oo°C und einen Druck in einem Bereich von 1 bis 1oo bar absolut. Der Druck in diesem Kühler wird bevorzugt so gewählt, daß er annähernd gleich dem Druck des zu kühlenden Gases ist. Nachdem dieses Wasser in dem Kühler eine höhere Temperatur erhalten hat_r kann es in geeigneter Weise zu dem kühlenden Raum durch eine oder mehrere Kühlmittelzuführungsleitungen gepumpt werden.

Anhand der beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung weiter erläutert, wobei die Zeichnung eine bevorzugte Ausführungsform darstellt, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der vollständigen Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt eine Einzelheit von Fig. 1.

Fig. 1 der Zeichnung zeigt einen zylindrischen Wärmetauscher, der aus einem GasZuführungsraum 1 und aus einem kühlenden Raum 2 besteht.

Der Metallmantel des GasZuführungsraums hat das Bezugszeichen 3, der des kühlenden Raums das Bezugs zeichen 4. Der kühlende Raum ist vertikal über dem Gas zuführung s raum angeordnet. Die beiden Metallmantel sind miteinander durch einen Flansch 5 verbunden. Der Gas Zuführungsraum ist mit feuerfestem Material 6 ausgekleidet und mit einer Gaszuführungsleitung 7 versehen. Der kühlende Raum ist mit vier Gasabführungsleitungen 8, einer Kühlmittelzuführungsleitung 9 und einer Kühlmittelabführungsleitung To versehen. Der Gaszufuhrungs— raum und der kühlende Raum sind durch eine Trennplatte 11 voneinander getrennt, durch welche vier Rohre 12 hindurchgehen, die mit den Gasabführungsleitungen 8 des kühlenden

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Raums 2 über vier schraubenförmige Kühlrohre 13 verbunden sind, die sich durch das Innere des kühlenden Baums erstrecken. Von den vier kühlenden Rohren 13 ist in Fig. 1 nur eines voll gezeigt, ein zweites ist teilweise gezeigt, während die übrigen beiden weggelassen sind. Die Einlaßenden 14 der Gas führenden Rohre 12 befinden sich in dem Gaszufuhrungsraum 1. Jedes der Gas führenden Rohre 12 ist von einem Kühlmantel 15 umgeben, der durch die Trennplatte 11 hindurchgeht. Die Räume 16 zwischen den Gas führenden Rohren 12 und den Kühlmänteln 15 stehen mit dem kühlenden Raum 2 in Verbindung. Die Enden 14 der Gas führenden Rohre 12 sind mit den Enden der Kühlmantel 15 verbunden. Die Räume 16 zwischen den Gas führenden Rohren 12 und den Kühlmänteln 15 sind mit Kühlmittezuführungsleitungen 17 verbunden. In dem kühlenden Raum 2 ist ein konzentrisches Innenrohr 18 angeordnet, um welche die Kühlrohre 13 schraubenförmig herumgelegt sind. Die Kühlmittelzuführungsleitung9 mündet in das untere Ende des konzentrischen Innenrohres 18 aus. Das Innenrohr 18 ist mit der Trennplatte 11 mittels vier Stützen 19 verbunden, wovon zwei in Fig. 1 gezeigt sind. Mit den Teilen der Kühlmittelzuführungsleitungen 17, die in der Nähe der Einlaßenden 14 der Gas führenden Rohre 12 liegen, sind axiale rohrförmige leitende Körper 2o verbunden.Diese leitenden Körper 2o teilen die unteren Abschnitte der ringförmigen Räume 16 in zwei Teile, die in offener Verbindung miteinander in der Nähe der Verbindungsstellen der Einlaßenden 14 der Gas führenden Rohre 12 und der Kühlmäntel 15 stehen. Die leitenden Körper 2o enthalten axiale ringförmige Kammern 21 und weisen·in regelmäßiger Anordnung um den Umfang der leitenden Körper herum angeordnete Ausströmöffnungen 22 aus den Kammern 21 auf.

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Das Kühlmittel tritt in den Wärmetauscher durch die Kühlmittelzuführungsleitungen 17 ein. Der größere Teil des Kühlmittels strömt zuerst in die ringförmigen Kammern 21, dann durch die Ausströmöffnungen 22 zwischen den leitenden Körpern 2o und den Gas führenden Rohren 12 nach unten längs der Verbindungen der Einlaßenden 14 der Gas führenden Rohre 12 mit den Kühlmänteln 15 und dann nach oben längs der Außenseite der ringförmigen leitenden Körper 2o. über die ringförmigen Räume 16 strömt das Kühlmittel in den kühlenden Raum 2, den es durch die Kühlmittelabführungsleitung 1o verläßt.

Ein kleiner Anteil des Kühlmittels strömt direkt nach oben durch die schmalen axialen ringförmigen Schlitze 23 in die ringförmigen Räuem 16 und dann zusammen mit dem übrigen Kühlmittel zu dem kühlenden Raum 2.

Der Strom des kalten Kühlmittels längs der Einlaßenden der Gas führenden Rohre 12 gewährleistet, daß die mittlere Temperatur der Einlaßenden 14 während des Zeitraums auf einem niedrigen Wert gehalten wird, während dem die heißen Gase durch den Wärmetauscher strömen. Die Gas führenden Rohre 12 sind entsprechend verstärkt und der Wärmetauscher kann bei sehr hohen Druckdifferenzen zwischen den heißen Gasen und dem Kühlmittel sicher arbeiten. Die Erfindung ermöglicht so, daß ein Wärmetauscher mit einem Innendurchmesser in einem Bereich zwischen o,5 und 1o m sicher und auf einfache Weise bei einer Druckdifferenz von bis zu 226 bar absolut arbeitet.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1.. Wärmetauscher zum Kühlen heißer Gase, gekennzeichnet durch einen Gaszuführungsraum (1), der mit einer oder mehreren Gaszuführungsleitungen (7) versehen istdurch einen kühlenden Raum (2), der mit einer oder mehreren Gasabführungsleitungen (8) versehen ist, durch eine oder mehrere Kühlmittelzuführungsleitungen (9) und durch eine oder mehrere Kühlmittelabführungsleitungen (1o) sowie durch eine Trennplatte (11), die den Gaszuführungsraum (1) von dem kühlenden Raum (2) trennt und durch welche eine oder mehrere Gas führende Rohre (12) hindurchgehen, deren Einlaßenden (14) sich in dem Gaszuführungsraum (1) befinden und die über Kühlrohre (13) in dem kühlenden Raum (2) mit den Gasabführungsleitungen (8) des kühlenden Raums verbunden sind, wobei jedes der Gas führenden-,Rohre (12) in dem Gaszuführungsraum (1) von einem Kühlmantel (15) umgeben ist, der mit der Trennplatte so verbunden ist, daß die Räume (16) zwischen den Gas führenden Rohren (12) und den Kühlmänteln (15) mit dem kühlenden Raum (2) in Verbindung stehen, während in dem Gaszuführungsraum (1) die Enden (14) der Gas führenden Rohre (12) mit den Enden der Kühlmantel (15) verbunden sind und axiale rohrförmige leitende Körper (2o) mit den Enden der Kühlmittelleitungen (17) verbunden sind, die leitenden Körper (2o) die unteren Abschnitte der ringförmigen Räume (16) in zwei Teile teilen, die in offener Verbindung miteinander in der Nähe der Verbindungen der Einlaßenden (14) der Gas führenden Rohre (12) mit den Kühlmänteln (15) stehen, und die leitenden Körper (2o) axiale ringförmige Kammern (21) sowie in regelmäßiger Anordnung um den Innenumfang der leitenden Körper (2o) herum AasStrömöffnungen (22) aus den Kammern (21) aufweisen. 609830/0230

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kühlende Raum (2) vertikal über dem Gaszuführungsraum (1) in einem im wesentlichen zylindrischen Behälter vorgesehen ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennplatte (11) im wesentlichen kugelförmig gekrümmt ist und die konvexe Seite zu dem GasZuführungsraum (1) hinweist.

4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem kühlenden Raum (2) ein konzentrisches Innenrohr (18) angeordnet ist und daß die Kühlrohre (13) schraubenförmig um das konzentrische Innenrohr herumgelegt sind.

5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Kühlmittelzuführungsleitungen (9) mit dem oberen Teil des konzentrischen Innenrohres (18) verbunden sind oder in dessen unterem Teil ausmünden.

6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des Gaszuführungsraums (1) auf der Innenseite mit einer Schicht aus feuerfestem Material (6) ausgekleidet sind.

7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte der Kühlmantel (15), welche sich in der Nähe der Einlaßenden

(14) der Gas führenden Rohre (12) befinden, einen größeren Innendurchmesser haben als die Mittelabschnitte der Kühlmantel (15),

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8. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte der Kühlmäntel (15), welche sich in der Nähe der Trennplatten (11) befinden, einen Innendurchmesser haben, der kleiner ist als der der Mittelabschnitte der Kühlmäntel (15).

9« Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß schmale ringförmige axiale Spalte (23) zwischen der Oberseite der rohrförmigen leitenden Körper (2o) und den Gas führenden Rohren (12) angeordnet sind.

10. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennplatte (11) mit einer Schicht aus feuerfestem Material auf der Seite des Gaszuführungsraums (1) ausgekleidet ist.

11. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem GasZuführungsraum ein Kühler vorgesehen ist, der die Kühlmäntel der Gas führenden Rohre umschließt, und mit dem eine oder mehrere Kühlmittelzuführungsleitungen und eine oder mehrere Kühlmittelabführungsleitungen verbunden sind.

12. Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler kastenförmig ausgebildet ist und von zwei ebenen Platten gebildet wird, die in zwei Ebenen senkrecht zu der Mittelachse des Gaszuführungsraums angeordnet sind, wobei die Platten durch eine Zylinderwand verbunden sind, die konzentrisch bezüglich der Mittelachse des GasZuführungsraums angeordnet ist, während die beiden ebenen Platten auch durch Rohre miteinander verbunden sind, welche die Kühlmittel der Gas

- führenden Rohre umgeben.

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- 2ο -

13. Wärmetauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Wand des Kühlers einen Durchmesser hat, der zv/ischen dem Durchmesser eines Kreises, gebildet von den verbundenen Kühlmänteln, und dem Durchmesser des Gaseinlaßraums liegt.

.14. Verfahren zum Kühlen heißer Gase mittels Wasser, wobei Dampf erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 13 verwendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die heißen Gase, welche in den GasZuführungsraum geführt werden,, eine Temperatur in einem Bereich von 9oo bis 15oo°C und einen Druck in einem Bereich von 1 bis 1oo bar absolut haben.

16. Verfahren nach Anspruch 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß der erzeugte Dampf gesättigt ist und einen Druck in einem Bereich von 5o bis 226 bar absolut hat.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß Umwälzwasser mit einer Temperatur in einem Bereich von 2oo bis 374°C dem kühlenden Raum über die Kühlmittelzuführungsleitung (en) zugeführt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Kesselbeschickungswasser mit einer Temperatur in einem Bereich von ο bis 35o C den Kühlmänteln der Gas führenden Rohre zugeführt wird.

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19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Menge des ümwälzwassers und der Menge des Kesselbeschickungswassers, die dem kühlenden Raum pro Stunde zugeführt werden, in einem Bereich von 5 bis 1o liegt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser mit einer Temperatur in einem Bereich von ο bis 1oo C und einem Druck in einem Bereich von 1 bis 1oo bar absolut dem Kühler in dem GasZuführungsraum zugeführt wird.

21. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wie verstehend unter spezieller Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

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